PON-CAN执行器及总线架构，机器人系统的制作方法
本公开涉及通信控制领域，具体地，涉及一种pon-can执行器及总线架构，机器人系统。
背景技术：
can是控制器局域网络(controllerareanetwork)的简称，can总线的特点是数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，同时不会受到单个节点损坏导致总线瘫痪影响。但是，can总线最大传输速率为1mbps，并且随着两节点距离的增大，can总线的通信速率将变慢，致使can总线连接的节点数量受限。
随着科学科技的发展，控制系统的应用范围不断扩大，受控制的节点越来越多，例如机器人系统，其具有运动量大、传感器多、关节多等特点，从而对节点数、指令响应速度以及传输速率的要求也会越来越高。而现有的can总线网络在多节点控制传输的情况下，无法满足高速率的要求。因此，相关技术中提出了使用pon-can总线架构替代can总线的技术方案。pon-can总线基于pon网络，能够提供1gbps以上的高带宽，可以避免电磁干扰影响，满足对大规模节点数量，高传输速率的要求。
但是，can总线是一种在控制领域已经被广泛应用的总线标准，将can总线设备接入pon-can架构需要使用额外的多种器件，导致pon-can网络的设备总量过多以及体积过大。
技术实现要素：
本公开的主要目的是提供一种pon-can执行器及总线架构，机器人系统，以解决相关技术中存在的上述问题。
为了达到上述目标，本公开实施例第一方面提供一种pon-can执行器，所述pon-can执行器包括执行单元，所述pon-can执行器集成有不对称耦合器，以及与所述不对称耦合器相连的光网络单元onu设备；其中，
所述不对称耦合器用于，与pon-can总线架构中的光纤总线相连；
所述onu设备用于与终端设备相连，并在所述终端设备与所述光纤总线之间进行光电信号的相互转换。
可选地，所述onu设备包括can适配器，与所述can适配器相连的mcu模块，以及与所述mcu模块相连的光收发器；
所述光收发器用于与所述光纤总线上的不对称耦合器相连；
所述can适配器用于提供所述onu设备的can接口；
所述mcu模块用于在can报文和用于在所述光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。
可选地，所述onu设备包括硅光电倍增管，用于进行光电信号的相互转换。
可选地，所述不对称耦合器的分光比为1:4，1:16，1:32或者1:128中的一者。
本公开实施例第二方面提供一种pon-can总线架构，所述pon-can总线架构包括多个如第一方面所述的pon-can执行器，其中，各个所述pon-can执行器内部的不对称耦合器互连，以形成光纤总线。
可选地，所述光纤总线上还串联有光放大器或光中继器，以使所述光纤总线上的每一所述不对称耦合器的输出功率不小于所述pon-can执行器实现光电信号转换所需的最小功率。
可选地，在所述光纤总线的下行方向上，前10个所述pon-can执行器的不对称耦合器的分光比为1：32，后2个所述pon-can执行器的不对称耦合器的分光比为1：4，其中，所述下行方向是指所述pon-can总线架构中的总信息设备通过所述光纤总线向终端设备传输信息的方向。
可选地，在所述光纤总线的下行方向上，依次串联有10个所述pon-can执行器，之后再串联一拉曼放大器，所述拉曼放大器之后再串联4个所述pon-can执行器，其中，所述下行方向是指所述pon-can总线架构中的总信息设备通过所述光纤总线向终端设备传输信息的方向。
本公开实施例第三方面提供一种机器人系统，所述机器人系统包括如第二方面所述的pon-can总线架构。
通过上述技术方案，至少能够达到如下技术效果：
本公开实施例提供的pon-can执行器内部集成了不对称耦合器和onu设备，可大幅减少pon-can网络的设备总量和体积，进而提高了pon-can总线的扩展能力，即pon-can总线上可以挂载更多的节点，使得pon-can总线架构更适用于机器人、汽车、飞机等具有大量节点的控制系统。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是现有pon-can总线架构的一种示意图；
图2是本公开实施例提供的一种onu设备的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种pon-can总线架构的示意图；
图4是本公开实施例提供的另一种pon-can总线架构的示意图；
图5是本公开实施例提供的又一种pon-can总线架构的示意图；
图6是本公开实施例提供的一种pon-can执行器的结构示意图；
图7是本公开实施例提供的另一种pon-can执行器的结构示意图；
图8是本公开实施例提供的不对称耦合器的一种结构示意图；
图9是本公开实施例提供的又一种pon-can总线架构的示意图；
图10是本公开实施例提供的又一种pon-can总线架构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
为了使本领域技术人员能够更加容易理解本公开实施例提供的技术方案，下面首先对本公开实施例涉及到的相关技术进行介绍。
pon-can总线架构：pon(passiveopticalnetwork：无源光纤网络)是纯介质网络，基于无源光纤组网以及不对称耦合器构成的pon-can总线架构，避免了电磁干扰影响，并且层级之间不会造成带宽消减，从而可以提供非常高的带宽，进而在所连接的节点不断增加的情况下也可以满足高速率的传输要求，解决了现有can总线通信速率低，节点连接数受限的问题。
图1是pon-can总线架构的一种示意图，如图1所示，pon-can总线架构包括总信息设备101，以及该总信息设备101连接的光纤总线，其中，该光纤总线由多个不对称耦合器互联形成。例如，图1中所示的光纤总线102，包括多个不对称耦合器103互联形成，其中，图1只是以不对称耦合器之间的线性互联进行示意，在具体实施时，不对称耦合器之间可以采用其他互联方式，或者采用多种互联方式组合构成光纤总线。并且，光纤总线上连接有onu(opticalnetworkunit，光网络单元)设备，如图1中所示的onu设备104，其中，onu设备104用于实现光纤总线与电控的终端设备之间光电信号的转换，进而实现总信息设备101与终端设备之间的通信。
相关技术中，由于can总线的广泛应用，终端设备多是支持can协议的电子设备，不能直接兼容于pon-can总线架构与onu设备相连。
本公开实施例为了解决上述技术问题，首先提供一种onu设备，该onu设备应用于例如图1所示的pon-can总线架构，如图2所示，该onu设备20包括can适配器201，与can适配器201相连的mcu模块202，以及与mcu模块202相连的光收发器203。
其中，光收发器203与pon-can总线架构中的光纤总线相连，can适配器20用于提供onu设备20的can接口，mcu模块202用于在can报文和用于在光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。
可选地，用于在光纤总线上传输的报文可以是tcp/ip报文，在此种情况下，mcu模块202用于将can适配器201传输的can报文转换为tcp/ip报文，并将tcp/ip报文传输给光收发器203。其中，该can报文是与该onu设备20相连的can总线上的can设备发送给该onu设备20的，或者是与该onu设备20直接相连的can设备发送给该onu设备20的，通过mcu模块202将can报文转换为tcp/ip报文后，由光收发器203传输到光纤总线上，从而实现作为终端的can设备向pon-can总线架构的总信息设备上行传输信息。
mcu模块202还用于将光收发器203传输的tcp/ip报文转换为can报文，并将该can报文传输给can适配器201，由can适配器201将该can报文传输给can设备，从而实现pon-can总线架构的总信息设备向作为终端的can设备下行传输信息。
在具体实施时，mcu模块202中可以采用硅光电倍增管sipm进行光电信号的相互转换。其中，sipm拥有高灵敏度，可以对单光子进行计数，提升onu设备对弱光信号的转换能力。
采用上述onu设备，该onu设备中的can适配器使得onu设备可以直接与can设备相连或者onu设备可以自身作为一种can设备接入can总线。这样，利用该onu设备组网得到的pon-can总线架构能够兼容can总线网络，也就是说，现有的can设备无需进行改动，可以直接接入pon-can总线架构，作为pon-can总线架构的终端设备，与pon-can总线架构中的总信息设备实现信息交互，提高了pon-can总线架构适用性。
基于上述onu设备，本公开实施例还提供一种pon-can总线架构，该pon-can总线架构中的onu设备是如图2所示的onu设备。
图3，图4和图5分别是本公开实施例提供的pon-can总线架构的一种示意图，其中，图3，图4和图5均是以pon-can总线架构为线性互联结构进行的举例说明，在具体实施时，pon-can总线架构还可以是其他组网方式，例如，星型互联，环形互联或者包括多种互联方式的混合拓扑组网结构，本公开对此不做限定。
如图3所示，pon-can总线架构包括第一onu设备，第一onu设备通过第一onu设备内的can适配器提供的can接口与一can设备相连。也就是说，每个onu设备连接一个can设备。光纤总线102可以参照图1中所示的光纤总线102，其由不对称耦合器互联形成，onu设备与光纤总线的连接，是指onu设备中的光收发器与光纤总线的不对称耦合器连接。
如图4所示，pon-can总线架构包括第二onu设备，第二onu设备通过第二onu设备内的can适配器提供的can接口与can总线401相连。如图4所示，can总线401及其挂载的can设备组成can网络40，onu设备直接与can总线相连，也就是说，onu设备可以同时作为一can设备，连接pon-can总线网络的下一级网络(即该can网络40)，形成以pon-can总线网络为主干网，连接一个或多个can子网的形式。
图5所示的pon-can总线架构结合了图3和图4所示的组网方式，部分onu设备可以直接与can设备相连，部分onu设备可以与can总线相连，形式更加灵活。
采用上述pon-can总线架构，通过onu设备实现了pon网络和can网络的兼容，现有的can设备无需进行改动，可以直接接入pon-can总线架构，作为pon-can总线架构的终端设备，与pon-can总线架构中的总信息设备实现信息交互，提高了pon-can总线架构适用性。
为了解决pon-can网络的设备总量过多以及体积过大的问题，本公开实施例还提供一种pon-can执行器，如图6所示，该pon-can执行器60集成有不对称耦合器601，以及与不对称耦合器601相连的onu设备602，并且还包括执行单元603。其中，不对称耦合器601用于，与pon-can总线架构中的光纤总线相连，onu设备602用于与终端设备相连，并在终端设备与光纤总线之间进行光电信号的相互转换，该执行单元603是onu设备602进行光电信息转换和信息编解码，得到控制指令后，根据控制指令执行具体动作的部件，例如可以是马达，舵机等，本公开对此不做限定。
也就是说，将原pon-can总线架构中分开设立的不对称耦合器和onu设备，改进为将不对称耦合器与onu设备集成到pon-can执行器中，从而可以减少pon-can总线架构的设备总量和体积，进而可以提升了pon-can总线架构的光纤总线上可挂载的执行器的数量。
在本公开实施例的一种可能的实现方式中，该pon-can执行器60内集成的onu设备602可以是如图2中所示的onu设备。也就是说，如图7所示，onu设备602包括can适配器201，与所述can适配器201相连的mcu模块202，以及与所述mcu模块202相连的光收发器203；所述光收发器203用于与不对称耦合器601相连；所述can适配器201用于提供所述onu设备602的can接口；所述mcu模块202用于在can报文和用于在所述光纤总线上传输的报文之间进行相互转换。这样，pon-can执行器60可以直接与can设备或者can总线相连，减少了组网设备，简化了pon-can总线架构。
可选地，onu设备602中具体用于实现光电信号的相互转换的器件可以是硅光电倍增管sipm。其中，sipm拥有更高的灵敏度，可以对单光子进行计数，同时，sipm的工作电压在三十伏以内，可降低在pon-can执行器内集成onu设备的难度，并且能够增加对光信号的灵敏度，提升onu设备对弱光信号的转换能力。
下面对不对称耦合器的分光比进行说明。如图8中的不对称耦合器103所示，不对称耦合器103包括第一端口a1、第二端口a2、第三端口a3以及分光器件b。其中，参照图1中所示的不对称耦合器在光纤总线102中的连接方式，第一端口a1和第三端口a3串行连接在所述光纤总线中，第二端口a2与onu设备相连。
这样，在光纤总线102中，分光器件b用于，在光纤总线102从不对称耦合器的第一端口a1输入光信号时，按照第一端口a1对应的分光比将所述光信号从第二端口a2以及第三端口a3分流传输；在onu设备从不对称耦合器的第二端口a2输入光信号时，按照第二端口a2对应的分光比将所述光信号从第一端口a1以及第三端口a3分流传输；在光纤总线102从不对称耦合器的第三端口a3输入光信号时，按照第三端口a3对应的分光比将所述光信号从第二端口a2以及第一端口a1分流传输。
以图8举例说明，当光信号通过光纤从第一端口a1注入，通过分光器件b把127/128光信号导向第三端口a3和1/128光信号导向第二端口a2。当光信号通过光纤从第三端口a3注入，通过分光器件b把127/128光信号导向第一端口a1和1/128光信号导向第二端口a2。当光信号通过光纤从第三端口a2注入，通过分光器件b把1/2光信号导向第一端口a1和1/2光信号导向第二端口a3。
分光比是指不对称耦合器与onu设备相连的端口(如图8中的a2端口)的分光值与该不对称耦合器总输入的光量值(a1或a3端口输入的光量值)的比值，在具体实施时，分光比根据实际使用情况制定，可以是1:n等模式，n为2的n次方，例如在车辆控制系统中，总共连接64个onu设备，则可预先定制不对称耦合器的分光比为1:64。本公开实施例提供的pon-can总线架构还可以应用于机器人系统，根据实际需求，不对称耦合器的分光比可以为1:4，1:32或者1:128中的一者。
本公开实施例还提供另一种pon-can总线架构，如图9所示，pon-can总线架构包括多个如图6所示的pon-can执行器60，其中，各个所述pon-can执行器60内部的不对称耦合器互连，以形成光纤总线801。
值得说明的是，图9是以多个pon-can执行器60线性互联的方式进行的示意，在具体实施中，可以采用其他的互联方式，本公开对此不做限定。
进一步地，考虑到每当串接一个pon-can执行器，该pon-can执行器分得的光功率就会相应减少，加之光在传输路径上存在的其他损耗，可能会出现增加到第i个pon-can执行器时，该pon-can执行器分得的功率无法满足onu设备工作的情况。因此，在本公开实施例的一种可能的实现方式中，还可以光纤总线上还串联光放大器或光中继器，以使所述光纤总线上的每一所述不对称耦合器的输出功率不小于所述pon-can执行器实现光电信号转换所需的最小功率。如图10所示，在第i个pon-can执行器前串联有一光放大器802，确保了第i个pon-can执行器中的不对称耦合器输出到onu设备的功率能够满足onu设备的光电信息转换工作。图10是以光放大器进行举例说明，在具体实施时，可以在相同位置串联光中继器，其中，光中继器能够将光纤中微弱的光信号线转换成电信号，经过放大或再生后，再次激励光源，转换成较强光信号继续在光纤中传输。
下面具体说明光放大器的器件选择，以及光中继器或者光放大器在光纤总线中串联位置的确定。
首先，光放大器包括拉曼放大器fra、半导体放大器soa等。拉曼放大器的工作原理基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，可对普通光纤中的光信号提供宽频带、低噪声的放大。半导体放大器利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大，工艺成熟，结构简单、体积小，更有利于在空间受限的机器人、车辆集成。
基于不对称耦合器的分光比，假设输入某一分光比为1:m的不对称耦合器的光纤信号的总功率为j，则该不对称耦合器将输出
示例地，本公开实施例可以在光纤总线的下行方向上，前10个pon-can执行器的不对称耦合器的分光比为1：32，后2个pon-can执行器的不对称耦合器的分光比为1：4，其中，下行方向是指pon-can总线架构中的总信息设备通过所述光纤总线向终端设备传输信息的方向。
另一个例子，本公开实施例可以在光纤总线的下行方向上，依次串联有10个pon-can执行器，之后再串联一拉曼放大器，拉曼放大器之后再串联4个pon-can执行器。
采用上述pon-can总线架构，通过光放大器提升了扩展连接pon-can执行器的能力，保证了光纤信号的传输距离，确保了交互信息的准确传输。
本公开实施例还提供一种机器人系统，所述机器人系统包括上述任一实施例提供的pon-can总线架构，具体可参照上述对图3、图4和图5的说明，或者参照对图9或图10的说明，此处不再赘述。
具体地，机器人系统中的上位机可以作为pon-can总线架构中的总信息设备，中位机系统、电源管理系统、下位机控制系统、各个肢体关节的伺服系统、各个肢体关节相应的终端设备，可以位于与pon-can总线架构的光纤总线连接的下一级网络。
值得说明的是，现有机器人系统通常采用基于rs-485总线的通信控制，或者基于can总线的通信控制，或者基于ethernet的ethercat技术的通信控制。其中，rs-485总线理论通信最高速率10mbps，并且随着通信距离增加通信速率也会下降，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。而can总线最大传输速率1mbps，并且随着canbus两节点距离的增大，canbus的通信速率将变慢，和rs-485存在同样的问题，在多节点控制传输情况下，无法满足高速率要求。ethercat技术是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，该技术中使用了中继交换技术，由于中继器对收到被衰减的信号再生到发送时的状态，并转发出去，导致增加了延时，也难以满足多设备下高带宽速率的实时高效的通信需求。
由上可知，以上通信方式以及接口连接难以满足机器人系统中不断增加的运动控制设备、终端图像采集设备以及未知动态情况控制的实时高速率传输要求。尤其运动控制设备是机器人核心，对实时数据获取与控制要求较高，低带宽数据传输满足不了要求。
而采用本公开实施例提供的机器人系统，机器人系统的各控制设备以及终端可以通过pon-can总线架构连接起来，提高了传输速率，实现系统内部高速安全的通信。并且，由于pon-can总线架构节点扩展性强，因此可以根据系统实际需要连接多个机器人拓扑终端，解决现有机器人总线系统中节点受限问题，保证了在节点不断增加的情况下也可以满足高速率的传输要求。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
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